某穿越长江输油管道工程中河床冲刷深度计算

某穿越长江输油管道工程中河床冲刷深度计算
唐万金;王吉祥;杨鸣
【摘要】河道冲刷深度是过江油气管道埋深设计的关键参数,管道埋深过浅,水流冲刷有可能使管道暴露,形成安全隐患；管道埋深过大,则将造成投资浪费.以长江上某过江油气管道为例,在分析实际河道地质与水文条件的基础上,利用目前常用的河道冲刷计算公式计算了河道冲刷深度,并对计算结果进行了比较,最后依据当地的实际情况,确定了河道的设计冲刷深度.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2013(044)006
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】冲刷深度;过江管道;水文地质分析;埋深设计
【作者】唐万金;王吉祥;杨鸣
【作者单位】长江岩土工程总公司(武汉),湖北武汉430010
【正文语种】中文
【中图分类】P642
1 工程地质条件
1.1 地形地貌
某输油管道穿越河段属浅丘河谷地貌，河谷开阔，呈基本对称的“U”形河谷。

北岸地面高程157.30～195.20 m，高差 37.90 m，坡度10°～35°;南岸地面高程
163.85 ～191.00 m，高差 27.15 m，坡度10°～30°。

河床宽 1063.00 m，河床高程 140.00 ～161.85 m，高差21.85 m，水下地形坡度5°～13°，河床中部地
形较平缓，地形坡角2°～5°，无深槽或深泓分布。

该河道中部偏北为主河道，河床地势较低，水深较大，流速相对较快，对河床的冲刷作用相对较强，属冲刷区;南侧河道为浅水区，流速相对较慢，属动态淤积区。

1.2 地质结构
工程所在河段河床地质结构从上至下分为两层(见图1)。

(1)第①层为河流冲积层()，厚度1.0～18.4 m，由卵石、局部夹圆砾薄层组成。

原岩成份为玄武岩、石英沙岩。

卵石直径一般3～8 cm，最大16 cm，磨圆度较好，骨架颗粒含量约占60% ～70%，级配良好，呈松散－中密状。

卵石中充填物为中粗沙和圆砾。

(2)第②层为侏罗系中统上沙溪庙组(J2X)，主要由沙岩、页岩、泥岩及粉沙岩组成。

根据岩性组合可分为两段:第一段为一套灰色沙岩和黑灰色沙质页岩岩组;第二段为
一套褐紫、紫红色泥岩夹褐红色粉沙岩岩组。

两套岩组的颜色和岩性具有明显的差异。

河段两岸的强风化带厚度0.6～14.6 m，河床下的中风化带厚度5.2～22.3 m。

穿越河段的地层产状30°∠16°，倾下游，偏北岸。

图1 穿越处河谷横剖面
2 河流水文参数
2.1 水沙特性
寸滩水文站距穿越河段约8 km，中间无大的支流汇入或者流出，其水文资料可代表穿越断面。

寸滩水文站多年平均水沙特征值见表1。

根据三峡水库蓄水前1956～2002年资料统计，寸滩站多年平均来水量为3438
亿m3，多年平均流量为10900 m3/s。

实测最高水位为191.41 m，最低水位为
158.08 m，水位最大变幅达到33.31 m，洪水期水位暴涨暴落，日变幅一般为3 m。

多年平均悬移质输沙量为4.23亿t，绝大部分为汛期输移，其中5～10月的输沙量约占全年总量的97.8%。

悬移质多年平均中数粒径为0.032 mm，多年汛期平均中数粒径为0.035 mm，多年平均含沙量为 1.22 kg/m3[1］。

表1 寸滩站水沙特征值特征值水位/m流量/(m3·s－1)含沙量/(kg·s－1)输沙量/万t 191.41 85700 13.7 71300最小值 158.08 2270 0.001 19000平均值最大值163.87 10900 1.22 42300
三峡水库蓄水后的2003～2006年，寸滩站平均来水量为3136亿m3，输沙量为1.90亿t，分别较蓄水前减少 8.8% 和 55.2%[2］。

据统计，寸滩站多年平均卵石(D＞10 mm)输移量为21.1万t，其中80%左右集中在主汛期的7～9月;多年沙质(D ＜2 mm)输移量为22.6万 t，5～10月占97.8%，7～9月占83.9%。

卵石和沙的中数粒径(D50)分别为 47.5 mm 和0.26 mm。

2.2 洪水特征
长江寸滩水文站集水面积866559 km2，上游洪水发生时间和地区分布与暴雨基本一致，汛期洪水多集中于7～9月，寸滩站7～9月洪量占全年的53.0%，金沙江、岷江、沱江和嘉陵江洪水是寸滩洪水的主要来源。

据统计，寸滩站历史最高洪水位为194.58 m(1870年，流量100000 m3/s)，1981年最高洪水位为189.78 m(流量85700 m3/s)。

寸滩站设计洪水成果见表2。

表2 寸滩站设计洪水成果洪水频率P/%流量/(m3·s－1)洪水频率P/%流量/(m3·s －1)188700 5 75300283100 10 69100
2.3 穿越河段水位、流速的确定
由表2可知，管道穿越长江河道断面100 a一遇洪峰流量为88700 m3/s。

根据二维水动力学数学模型计算成果，穿越段设计水位为182.10 m，最大垂线平均流
速为3.50 m/s。

3 冲刷分析
常见的河床冲刷公式有《公路桥位勘测设计规范》(JTJ062－91)计算一般冲刷的(64－2)公式(输沙平衡原理)和(64－1)修正公式(冲止流速原理)，集中水流冲刷坑的lacey公式，谢鉴衡公式和河床演变冲刷深度公式。

本项目分析分别采用上述公式进行计算对比。

3.1 64－1公式
64－1公式是根据冲止流速原理建立的，公式如下
式中，hp为设计断面一般冲刷后的最大水深，m;A为单宽流量集中系数为设计断面河槽部分通过的设计流量，m3/s;μ为设计断面水流侧向压缩系数;B'c为设计断面河槽部分过水净宽，m;hmc为设计断面河槽部分最大水深，m;hc为设计断面河槽平均水深，m;dc为河槽土平均粒径，mm;E为与汛期含沙量有关的系数。

3.2 64－2简化公式
64－2公式主要是根据输沙平衡原理建立的，公式如下
式中，Q1为计算断面天然河槽流量，m3/s;Q2为计算断面河槽通过的设计流量，m3/s;B1为计算断面天然河槽宽度，m;B2为计算断面天然河槽宽度，m;hmax为河槽最大水深，m;K为综合系数，K=1+0.0211g，H为平均水深，d为河床沙平均粒径，m;m为随相对糙率hmax/d50而变的指数;λ为设计水位下，桥墩阻水总面积与桥下过水面积的比值，对于天然的、宽度较大的河槽，近似用一个墩中心距离之比;μ为桥台前缘与桥墩两侧的漩涡区宽度与桥孔长度之比，μ=1－为河槽平均流速，m/s;L为是单孔净跨0度，m。

3.3 lacey公式
集中水流冲刷坑的lacey公式具体形成如下
式中，hs为设计断面的最大冲刷坑深度，m;k为冲刷坑系数，一般取0.25;Qf为
设计洪水流量，m3/s;Dm为床沙粒径，mm。

3.4 谢鉴衡公式
谢鉴衡公式具体形成如下
式中，hx为一般冲刷后水深，m;a为修正系数，一般取1;k为系数，一般取4.6;q 为设计洪水单宽流量，m2/s;d为床沙粒径，mm。

3.5 河床演变冲刷深度公式
河床演变冲刷深度具体形式如下
式中，hs为一般冲刷深度，m;d为床沙平均粒径，mm;Fr为平均水深，m。

3.6 计算结果分析
实测资料分析显示，管道穿越河床断面的不同位置的中值粒径在42.5～100 mm
之间，平均粒径在45～86 mm之间。

根据中值粒径分布情况以及一般取值规律，选用45 mm作为该河段的计算粒径较为合理且偏于安全。

由于管道跨越断面与河道主流方向夹角较大，不符合一般河道冲刷的计算规定，因而应选择与河道正交的断面进行计算。

本项目计算时，选择左岸管道与河槽正交的断面作为计算断面。

采用100 a一遇洪水作为计算的水文条件，分别利用上述5个公式计算了所选定
断面的一般冲刷深度。

计算结果见表3。

从计算结果来看，64－2简化公式计算的冲刷深度最大，为7.68 m，Lacey公式
计算的冲刷深度最小，为2.29 m。

根据当地工程经验，64－2简化公式应用广泛，
可靠性较好，宜采用64－2简化公式计算的冲刷深度。

表3 穿越断面不同公式计算的最大冲刷深度(1%频率洪水) m64－1公式64－2简化公式Lacey公式谢鉴衡公式河床演变公式6.85 7.68 2.29 5.41 3.47
4 结语
(1)如果穿越河流的油气管道埋深过浅，易受河流冲刷而裸露、悬空，可能造成管道磨蚀穿孔或在水动力作用下发生弯曲断裂，从而造成油气泄漏事故，而埋深过深则成本过高，且可能导致穿越失败，故河流冲刷深度是管道穿越河流的设计重点。

(2)设计流量、水深、河槽宽度、泥沙粒径和含沙量是河流冲刷深度的主要影响因素。

(3)河流冲刷深度计算公式是建立在假设边界条件下的数学模型。

天然河流环境及流态十分复杂，实际分析中，应在综合考虑各公式应用前提的基础上，判断前提条件对结果的影响，并结合当地工程经验，选择最终的设计冲刷深度。

参考文献:
[1]高焕锦.长江上游干流卵石推移质输沙特性分析[M］.北京:水利电力出版社，1988.
[2]王玲，易瑜.长江上游寸滩水文站沙质变化分析[J］.水利水电快报，2003，
24(1)，14 －15.。